InnoDB记录存储结构

一、InnoDB页简介

InnoDB采取的方式是：将数据划分为若干个页，以页作为磁盘和内存之间交互的基本单位，InnoDB中页的大小一般为 16 KB。也就是在一般情况下，一次最少从磁盘中读取16KB的内容到内存中，一次最少把内存中的16KB内容刷新到磁盘中。

二、InnoDB行格式

行格式：数据记录存放再磁盘上的格式
InnoDB 的行格式
- Compact
- Redundant
- Dynamic
- Compressed

1、指定行格式的语法

在创建表的时候，可用指定想要的行格式

CREATE TABLE 表名 (列的信息) ROW_FORMAT=行格式名称
    
ALTER TABLE 表名 ROW_FORMAT=行格式名称

比如我们在xiaohaizi数据库里创建一个演示用的表record_format_demo，可以这样指定它的行格式：

mysql> USE xiaohaizi;
Database changed

mysql> CREATE TABLE record_format_demo (
    ->     c1 VARCHAR(10),
    ->     c2 VARCHAR(10) NOT NULL,
    ->     c3 CHAR(10),
    ->     c4 VARCHAR(10)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=COMPACT;
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)

可以看到我们刚刚创建的这个表的行格式就是Compact，另外，我们还显式指定了这个表的字符集为ascii，因为ascii字符集只包括空格、标点符号、数字、大小写字母和一些不可见字符，所以我们的汉字是不能存到这个表里的。我们现在向这个表中插入两条记录：

mysql> INSERT INTO record_format_demo(c1, c2, c3, c4)
       VALUES('aaaa', 'bbb', 'cc', 'd'), ('eeee', 'fff', NULL, NULL);
Query OK, 2 rows affected (0.02 sec)
Records: 2  Duplicates: 0  Warnings: 0

现在表中的记录就是这个样子的：

mysql> SELECT * FROM record_format_demo;
+------+-----+------+------+
| c1   | c2  | c3   | c4   |
+------+-----+------+------+
| aaaa | bbb | cc   | d    |
| eeee | fff | NULL | NULL |
+------+-----+------+------+
2 rows in set (0.00 sec)

2、COMPACT行格式

一条完整的记录其实可以被分为记录的额外信息和记录的真实数据两大部分

（1）记录的额外信息

这部分信息是服务器为了描述这条记录而不得不额外添加的一些信息，这些额外信息分为3类，分别是变长字段长度列表、NULL值列表和记录头信息

变长字段长度列表

MySQL支持一些变长的数据类型，比如VARCHAR(M)、VARBINARY(M)、各种TEXT类型，各种BLOB类型，我们也可以把拥有这些数据类型的列称为变长字段
Mysql 对于这种字段的存储分成了两个部分
- 真正的内容
- 占用的字节数
在Compact行格式中，把所有变长字段的真实数据占用的字节长度都存放在记录的开头部位，从而形成一个变长字段长度列表，各变长字段数据占用的字节数按照列的顺序逆序存放，我们再次强调一遍，是逆序存放！
我们拿record_format_demo表中的第一条记录来举个例子，因为record_format_demo表的c1、c2、c4列都是VARCHAR(10)类型的，也就是变长的数据类型，所以这三个列的值的长度都需要保存在记录开头处，因为record_format_demo表中的各个列都使用的是ascii字符集，所以每个字符只需要1个字节来进行编码，来看一下第一条记录各变长字段内容的长度：

逆序存放，所以最后变长字段长度列表的字节串用十六进制表示的效果就是（各个字节之间实际上没有空格，用空格隔开只是方便理解）：

表示长度需要的字节规则
- W M L
- 如果该可变字段允许存储的最大字节数（M×W）超过255字节并且真实存储的字节数（L）超过127字节，则使用2个字节，否则使用1个字节。
变长字段长度列表中只存储值为 非NULL 的列内容占用的长度，值为 NULL 的列的长度是不储存的
也就是说对于第二条记录来说，因为c4列的值为NULL，所以第二条记录的变长字段长度列表只需要存储c1和c2列的长度即可.
其中c1列存储的值为'eeee'，占用的字节数为4，c2列存储的值为'fff'，占用的字节数为3。数字4可以用1个字节表示，3也可以用1个字节表示，所以整个变长字段长度列表共需2个字节。填充完变长字段长度列表的两条记录的对比图如下：

并不是所有记录都有这个变长字段长度列表部分，比方说表中所有的列都不是变长的数据类型的话，这一部分就不需要有。

NULL值列表

些列可能存储NULL值，如果把这些NULL值都放到记录的真实数据中存储会很占地方，所以Compact行格式把这些值为NULL的列统一管理起来，存储到NULL值列表中

首先统计表中允许存储NULL的列有哪些。

我们前边说过，主键列、被NOT NULL修饰的列都是不可以存储NULL值的，所以在统计的时候不会把这些列算进去。比方说表record_format_demo的3个列c1、c3、c4都是允许存储NULL值的，而c2列是被NOT NULL修饰，不允许存储NULL值。
如果表中没有允许存储 NULL 的列，则 NULL值列表 也不存在了，否则将每个允许存储NULL的列对应一个二进制位，二进制位按照列的顺序逆序排列，二进制位表示的意义如下：
- 二进制位的值为1时，代表该列的值为NULL。
- 二进制位的值为0时，代表该列的值不为NULL。
- 因为表record_format_demo有3个值允许为NULL的列，所以这3个列和二进制位的对应关系就是这样：

逆序排列

MySQL规定NULL值列表必须用整数个字节的位表示，如果使用的二进制位个数不是整数个字节，则在字节的高位补0。以此类推，如果一个表中有9个允许为NULL，那这个记录的NULL值列表部分就需要2个字节来表示了。

对于第一条记录来说，c1、c3、c4这3个列的值都不为NULL，所以它们对应的二进制位都是0，画个图就是这样：

对于第二条记录来说，c1、c3、c4这3个列中c3和c4的值都为NULL，所以这3个列对应的二进制位的情况就是：

两条记录在填充了NULL值列表后的示意图就是这样：

记录头信息

除了变长字段长度列表、NULL值列表之外，还有一个用于描述记录的记录头信息，它是由固定的5个字节组成。5个字节也就是40个二进制位，不同的位代表不同的意思，如图：

（2）记录的真实数据

MySQL会为每个记录默认的添加一些列（也称为隐藏列）

如果存在主键，不会产生 row_id
如果不存在主键，存在Unique，会使用 Unique 作为主键
如果不存在主键，也不存在 Unique，会使用 row_id 隐藏列

因为表record_format_demo并没有定义主键，所以MySQL服务器会为每条记录增加上述的3个列。现在看一下加上记录的真实数据的两个记录长什么样吧：

看这个图的时候我们需要注意几点：

表record_format_demo使用的是ascii字符集，所以0x61616161就表示字符串'aaaa'，0x626262就表示字符串'bbb'，以此类推。
注意第1条记录中c3列的值，它是CHAR(10)类型的，它实际存储的字符串是：'cc'，而ascii字符集中的字节表示是'0x6363'，虽然表示这个字符串只占用了2个字节，但整个c3列仍然占用了10个字节的空间，除真实数据以外的8个字节的统统都用空格字符填充，空格字符在ascii字符集的表示就是0x20。
注意第2条记录中c3和c4列的值都为NULL，它们被存储在了前边的NULL值列表处，在记录的真实数据处就不再冗余存储，从而节省存储空间。

（3）CHAR(M)列的存储格式

对于 CHAR(M) 类型的列来说，当列采用的是定长字符集时，该列占用的字节数不会被加到变长字段长度列表，而如果采用变长字符集时，该列占用的字节数也会被加到变长字段长度列表。
变长字符集：比如gbk表示一个字符要1～2个字节、utf8表示一个字符要1~3个字节等
定长字符集：ascii字符集，这个字符集是一个定长字符集，也就是说表示一个字符采用固定的一个字节

3、Redundant行格式

把表record_format_demo的行格式修改为Redundant：

mysql> ALTER TABLE record_format_demo ROW_FORMAT=Redundant;
Query OK, 0 rows affected (0.05 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0

表record_format_demo在Redundant行格式下的两条记录的真实存储数据提供出来，之后我们着重分析两种行格式的不同即可。

Redundant行格式有什么不同的地方

字段长度偏移列表
注意Compact行格式的开头是变长字段长度列表，而Redundant行格式的开头是字段长度偏移列表，与变长字段长度列表有两处不同：
没有了变长两个字，意味着Redundant行格式会把该条记录中所有列（包括隐藏列）的长度信息都按照逆序存储到字段长度偏移列表。
多了个偏移两个字，这意味着计算列值长度的方式不像Compact行格式那么直观，它是采用两个相邻数值的差值来计算各个列值的长度。
比如第一条记录的字段长度偏移列表就是：

25 24 1A 17 13 0C 06

因为它是逆序排放的，所以按照列的顺序排列就是：

06 0C 13 17 1A 24 25

按照两个相邻数值的差值来计算各个列值的长度的意思就是：

第一列(`row_id`)的长度就是 0x06个字节，也就是6个字节。

第二列(`transaction_id`)的长度就是 (0x0C - 0x06)个字节，也就是6个字节。

第三列(`roll_pointer`)的长度就是 (0x13 - 0x0C)个字节，也就是7个字节。

第四列(`c1`)的长度就是 (0x17 - 0x13)个字节，也就是4个字节。

第五列(`c2`)的长度就是 (0x1A - 0x17)个字节，也就是3个字节。

第六列(`c3`)的长度就是 (0x24 - 0x1A)个字节，也就是10个字节。

第七列(`c4`)的长度就是 (0x25 - 0x24)个字节，也就是1个字节。

记录头信息

Redundant行格式的记录头信息占用6字节，48个二进制位，这些二进制位代表的意思如下：

名称	大小（单位：bit）	描述
`预留位1`	`1`	没有使用
`预留位2`	`1`	没有使用
`delete_mask`	`1`	标记该记录是否被删除
`min_rec_mask`	`1`	B+树的每层非叶子节点中的最小记录都会添加该标记
`n_owned`	`4`	表示当前记录拥有的记录数
`heap_no`	`13`	表示当前记录在页面堆的位置信息
`n_field`	`10`	表示记录中列的数量
`1byte_offs_flag`	`1`	标记字段长度偏移列表中每个列对应的偏移量是使用1字节还是2字节表示的
`next_record`	`16`	表示下一条记录的绝对位置

第一条记录中的头信息是：

00 00 10 0F 00 BC

根据这六个字节可以计算出各个属性的值，如下：

预留位1：0x00
预留位2：0x00
delete_mask: 0x00
min_rec_mask: 0x00
n_owned: 0x00
heap_no: 0x02
n_field: 0x07
1byte_offs_flag: 0x01
next_record:0xBC

与Compact行格式的记录头信息对比来看，有两处不同：

Redundant行格式多了n_field和1byte_offs_flag这两个属性。
Redundant行格式没有record_type这个属性。

CHAR(M)列的存储格式

Redundant行格式中十分干脆，不管该列使用的字符集是啥，只要是使用CHAR(M)类型，占用的真实数据空间就是该字符集表示一个字符最多需要的字节数和M的乘积。比方说使用utf8字符集的CHAR(10)类型的列占用的真实数据空间始终为30个字节，使用gbk字符集的CHAR(10)类型的列占用的真实数据空间始终为20个字节。由此可以看出来，使用Redundant行格式的CHAR(M)类型的列是不会产生碎片的

4、行溢出数据

（1）VARCHAR(M)最多能存储的数据

一定要记住一个行中的所有列（不包括隐藏列和记录头信息）占用的字节长度加起来不能超过65535个字节！

mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->     c VARCHAR(65535)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
ERROR 1118 (42000): Row size too large. The maximum row size for the used table type, not counting BLOBs, is 65535. This includes storage overhead, check the manual. You have to change some columns to TEXT or BLOBs

MySQL对一条记录占用的最大存储空间是有限制的，除了BLOB或者TEXT类型的列之外，其他所有的列（不包括隐藏列和记录头信息）占用的字节长度加起来不能超过65535个字节。所以MySQL服务器建议我们把存储类型改为TEXT或者BLOB的类型

（2）记录中的数据太多产生的溢出

我们以ascii字符集下的varchar_size_demo表为例，插入一条记录：

mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->       c VARCHAR(65532)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> INSERT INTO varchar_size_demo(c) VALUES(REPEAT('a', 65532));
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

其中的REPEAT('a', 65532)是一个函数调用，它表示生成一个把字符'a'重复65532次的字符串。前边说过，MySQL中磁盘和内存交互的基本单位是页，也就是说MySQL是以页为基本单位来管理存储空间的，我们的记录都会被分配到某个页中存储。而一个页的大小一般是16KB，也就是16384字节，而一个VARCHAR(M)类型的列就最多可以存储65532个字节，这样就可能造成一个页存放不了一条记录的尴尬情况。
在Compact和Redundant行格式中，对于占用存储空间非常大的列，在记录的真实数据处只会存储该列的一部分数据，把剩余的数据分散存储在几个其他的页中，然后记录的真实数据处用20个字节存储指向这些页的地址（当然这20个字节中还包括这些分散在其他页面中的数据的占用的字节数），从而可以找到剩余数据所在的页，如图所示：

（3）行溢出的临界点

MySQL中规定一个页中至少存放两行记录

5、Dynamic和Compressed行格式

我现在使用的MySQL版本是5.7，它的默认行格式就是Dynamic，这俩行格式和Compact行格式挺像，只不过在处理行溢出数据时有点儿分歧，它们不会在记录的真实数据处存储字段真实数据的前768个字节，而是把所有的字节都存储到其他页面中，只在记录的真实数据处存储其他页面的地址，就像这样：

三、总结

Dynamic和Compressed行格式
这两种行格式类似于COMPACT行格式，只不过在处理行溢出数据时有点儿分歧，它们不会在记录的真实数据处存储字符串的前768个字节，而是把所有的字节都存储到其他页面中，只在记录的真实数据处存储其他页面的地址。
另外，Compressed行格式会采用压缩算法对页面进行压缩。

参考

juejin.cn/book/684473…

MySQL 是怎样运行的-InnoDB 记录结构

InnoDB记录存储结构

一、InnoDB页简介

二、InnoDB行格式

1、指定行格式的语法

2、COMPACT行格式

（1）记录的额外信息

变长字段长度列表

NULL值列表

记录头信息

（2）记录的真实数据

（3）CHAR(M)列的存储格式

3、Redundant行格式

CHAR(M)列的存储格式

4、行溢出数据

（1）VARCHAR(M)最多能存储的数据

（2）记录中的数据太多产生的溢出

（3）行溢出的临界点

5、Dynamic和Compressed行格式

三、总结

参考